Сушка

СУШКА, удаление жидкости (чаще всего влаги-воды, реже иных жидкостей, напр. летучих орг. р-рителей) из в-в и материалов тепловыми способами. Осуществляется путем испарения жидкости и отвода образовавшихся паров при подводе к высушиваемому материалу теплоты, чаще всего с помощью т. наз. сушильных агентов (нагретый воздух, топочные газы и их смеси с воздухом, инертные газы, перегретый пар). Сушке подвергают влажные тела: твердые-коллоидные, зернистые, порошкообразные, кусковые, гранулированные, листовые, тканые и др. (эта группа высушиваемых материалов наиб. распространена); пастообразные; жидкие-суспензии, эмульсии, р-ры; о сушке газов и газовых смесей см. Газов осушка.

Цель сушки, широко применяемой  в произ-вах химико-лесного комплекса, с. х-ве, пищевой, строит. материалов, кожевенной, легкой и др. отраслях народного хозяйства,-улучшение качества в-в и материалов, подготовка их к переработке, использованию, транспортированию и хранению. Данный процесс часто является последней технол. операцией, предшествующей выпуску готового продукта. При этом жидкость предварительно удаляют более дешевыми мех. способами, окончательно-тепловыми.

Естественную сушку на открытом воздухе из-за значит. продолжительности используют крайне редко и гл. обр. в районах с теплым климатом. В хим. произ-вах применяют, как правило, искусственную сушку, проводимую в спец. сушильных установках, в состав к-рых входят: сушильный аппарат, или сушилка, где непосредственно протекает процесс; вспомогат. оборудование-теплообменные аппараты (калориферы), тяго-дутьевое устройство (вентилятор, воздуходувка) и система пылеочистки (см. Пылеулавливание) соотв. для нагревания сушильного агента, пропускания его через сушилку и отделения от высушенного продукта.

По способу подвода теплоты  к влажному телу различают след. виды сушки: конвективную (в потоке нагретого сушильного агента, выполняющего одновременно ф-ции теплоносителя и влагоносителя- транспортирующей среды, в к-рую переходит удаляемая влага, и в ряде случаев способствующего созданию необходимой гидродинамич. обстановки); контактную (при соприкосновении тела с нагретой пов-стью); диэлектрическую (токами высокой частоты); сублимационную (вымораживанием в вакууме; см. также Сублимация); радиационную (ИК излучением); акустическую (с помощью ультразвука). В народном хозяйстве используют преим. первые два вида, в хим. произ-вах-конвективную. Остальные виды применяют весьма редко и наз. обычно специальными видами сушки.

При любом виде сушки ее влажный  объект находится в контакте с  влажным газом (в осн. с воздухом). Поэтому знание их параметров необходимо при описании процессов сушки и их расчетах. Осн. параметры: влажного тела-влагосодержание и (отношение массы влаги к массе абс. сухой части); влажного газа-т-ра t, влагосодержание x (отношение массы паров к массе абс. сухой части), относит. влажность f (отношение массы пара в данном объеме к массе насыщ. пара в том же объеме при одинаковых условиях), уд. энтальпия I, равная сумме уд. энтальпий абс. сухой части и паров (см. также Влажность), росы точка, т-ра мокрого термометра (т-ра адиабатич. насыщения).

Статика сушки. Под cтатикой сушки обычно понимают, состояние термо-динамич. равновесия в системе влажное тело-газ, а также материальный и тепловой балансы сушилок в установившемся режиме работы. Исследования указанного, равновесия важны для определения форм связи влаги с материалом и его внутр. структуры, а также движущей силы сушки.

Формы связи влаги с  материалом в значит. степени определяют механизм и скорость сушки: чем эта связь прочнее, тем труднее протекает процесс. При сушке связь влаги с материалом нарушается. Различают след. формы связи (в порядке убывания ее энергии): химическую, физико-химическую, механическую.

Химически связанная влага (гидратная, или кристаллизационная, влага комплексных соединений) соединена с материалом наиб. прочно и при сушке обычно удаляется частично или вообще не удаляется.

Физ.-хим. связь объединяет адсорбционную  и осмотическую влагу (напр., в Коллоидных и полимерных материалах). Адсорбционно связанная влага прочно удерживается силами межмол. взаимод. на пов-сти пор материала в виде монослоя или неск. слоев (см. Адсорбция). Осмотически связанная влага находится внутри и между клеток материала и менее прочно удерживается осмотич. силами (см. Осмос). Влага этих видов связи с трудом удаляется при сушке.

Механическая, или капиллярно связанная, влага подразделяется на влагу макрокапилляров (радиус более 10^-7 мм) и микрокапилляров (менее 10^-7 мм). Влага макрокапилляров наим. прочно связана с материалом и м. б. удалена не только при сушке, но и механически.

Применительно к сушке влагу  классифицируют в более широком  смысле на свободную (легко удаляемую) и связанную (адсорбционную, осмотич., микрокапилляров). Скорость испарения свободной влаги из материала равна скорости испарения воды со своб. пов-сти жидкости. Связанная влага испаряется из материала с меньшей скоростью, чем с пов-сти воды. Расчет сушилок необходимо проводить с учетом энергии связи влаги с материалом. Суммарный расход теплоты на сушку:

где Q_исп- теплота парообразования, расходуемая на испарение своб. влаги; Q_св- теплота, расходуемая на преодоление связи влаги с материалом.

Изотермы сорбции-десорбция. Их изучение-один из наиб. распространенных методов исследования термодинамич. равновесия в системе влажное тело-газ. Эти изотермы зависят от формы связи влаги с материалом, его структуры и св-в. В состоянии равновесия при t = const определенному значению относит. влажности воздуха f_p соответствует вполне определенное равновесное влагосодержание материала u_р. Изотермы сорбции и десорбции представляют собой зависимости u_р =f(f_p).

Линии постоянных т-р (t = const) вместе с линиями постоянных влагосодержания (х = const), относит. влажности (f = const) и энтальпии (I = const) влажного воздуха наносят на психрометрия, диаграмму I — x (см. Газов увлажнение), с помощью к-рой обычно изучают сушку и связанные с ней нагревание, охлаждение, увлажнение и смешение воздуха разных параметров.

Варианты конвективной сушки и их изображение на I-x-диаграмме. При определенном сочетании параметров сушильного агента (t и f) и скорости его движения относительно материала достигается соответствующий режим сушки. Кроме этих факторов на него влияет также давление, если оно значительно отклоняется от атмосферного (вакуум-сушка). Для обеспечения заданных режимов сушки чаще всего используют след. ее варианты: 1) основной, или нормальный,-сушильный агент однократно нагревается в калорифере до требуемой т-ры и поступает в сушилку, из к-рой выбрасывается в атмосферу; 2) с рециркуляцией отработанного сушильного агента-часть его из сушилки возвращается в калорифер (на его вход или выход), где смешивается со свежим воздухом; 3) с промежуточным подогревом сушильного агента в неск. калориферах; сначала он нагревается в первом калорифере, затем контактирует с высушиваемым материалом в первой части сушилки, снова нагревается во втором калорифере, соприкасается с материалом во второй части сушилки и т.д.; 4) с ретуром сухого продукта-часть его возвращается в сушилку для досушки, а также для придания влажному материалу на входе в аппарат необходимой сыпучести.

Осн. вариант сушки изображен на рис. 1,а: точки А, В и С соответствуют состоянию воздуха перед калорифером, за ним и на выходе из сушилки; вертикальный отрезок АВ (х = x₀) отвечает нагреву воздуха в калорифере, линия ВС- процессу сушки. Вариант с рециркуляцией части сушильного агента изображен на рис. 1,5; линия AM соответствует смешению перед калорифером атмосферного и части отработанного воздуха (рецикла), вертикальный отрезок МB-нагреву воздуха в калорифере, линия ВС-процессу сушки. На этом рис. процессу сушки в основном варианте (без рецикла) отвечает линия AB'C. По сравнению с ним вариант с рециклом отличают большее влагосодержание воздуха, менее высокие температура (режим сушки мягче) и расход энергии на нагрев воздуха.

Материальный и терловой балансы позволяют находить параметры, необходимые для расчета сушилок. Материальный баланс составляют как по всему кол-ву материала, так и по одному из компонентов сушки-массе абсолютно сухого в-ва или массе влаги, содержащейся в высушиваемом материале; в результате определяют расход сушильного агента и кол-во испаренной влаги.

Тепловой баланс. Согласно закону сохранения энергии, приход в к.-л. сушилку теплоты равен ее расходу. В случае конвективной сушки теплота вносится в сушилку с нагретым в калорифере (топке) сушильным агентом, влажным материалом, находящейся в нем жидкостью и транспортными устройствами (вагонетки и др.); удаляется теплота с отработанным теплоносителем, высушенным материалом и транспортными устройствами; часть теплоты безвозвратно теряется в окружающую среду; из этого баланса находят общий расход теплоты на сушку. В случае контактной сушки из теплового баланса находят расход водяного пара, теплота ик-рого затрачивается на нагрев высушиваемого материала, испарение жидкости и компенсацию потерь теплоты.

Рис. 1. Изображение на I-х-диаграмме вариантов сушки: а-основного; б- с рециркуляцией сушильного агента (х_нас, x_см-влагосодержания насыщ. воздуха в смеси свежего воздуха с частью отработанного).

Тесло- и массоперенос при сушке. Закономерности сушки определяются совместным влиянием одновременно протекающих тепло- и массопереноса. В соответствии с их ур-ниями в ходе сушки система влажное тело-газ стремится к фазовому равновесию, при к-ром наблюдается равенство хим. потенциалов жидкости и ее пара.

По достижении указанного равновесия сушка прекращается. Следовательно, сушка-существенно неравновесный процесс, движущей силой к-рого является разность хим. потенциалов. Последние определяются через градиенты параметров материальных потоков, участвующих в сушке. Напр., при конвективной сушке движущую силу можно выразить разностью: парциальных давлений Dp=p_м—p_п (р_м-давление паров влаги у пов-сти материала, р_п- парциальное давление водяных паров в воздухе); влагосодержаний Dx = х_нас — x (х_нас-влагосодержание воздуха, насыщ. водяными парами вблизи пов-сти материала, x-влагосодержание ненасыщ. воздуха); т-р Dq = q_с — q_М (q_с-т-ра среды, окружающей материал, q_м-т-ра пов-сти влажного материала, принимаемая равной т-ре мокрого термометра) и т.д. Поскольку на входе в сушилку и выходе из нее значения Dp, Dx и Dq будут различны, в расчетах используют среднюю движущую силу сушки.

Различают обычно внеш. и внутр. перенос влаги и теплоты. Внеш. перенос (тепло- и массообмен) происходит между влажным телом и сушильным агентом и характеризуется коэф. тепло- и массоотдачи, для к-рых известны многочисл. эмпирич. корреляции; внутр. перенос-движение влаги во внутр. слоях материала.

Динамика сушки. Для описания внутр. тепло- и массопереноса во влажном теле нужно рассматривать нестационарные поля т-р и влагосодержаний, т. е. зависимости q = q (c, т) и и=и(x, т), где х-радиус-вектор точки пространства (в любой точке рабочего пространства сушильной камеры влагосодержание x изменяется как во времени т, так и с изменением местоположения рассматриваемой точки). Такие поля находят решением на ЭВМ сложной системы фено-менологич. ур-ний с кинетич. коэффициентами, или коэф. переноса К_ik (см. также Переноса процессы):

где K₁₁ = D-коэф. диффузии; K₁₂ = Dd (d-термоградиентный коэф., характеризующий степень влияния т-ры на поток влаги в высушиваемом теле); К₁₃ = К_ф.п./r_т(К_ф.п. -коэф. фильтрац. переноса влаги, отражающий степень влияния давления на поток влаги в материале, r_т-его плотность); К₂₁ = Q_испED/C_вл [Е-критерий фазового превращения, определяемый отношением потока пара во влажном теле к суммарному потоку влаги в виде жидкости и пара (О E 1; если перемещаемая влага-жидкость, Е = 0, если-пар, то Е= 1); С -уд. теплоемкость влажного материала]; К₂₂ = а -коэф. температуропроводности; К₂₃ = = EQ_испD^-1 x K'_ф.п. /С_вл (К'_ф.п. -относит. коэф. фильтрац. переноса влаги, характеризующий влияние давления на поток теплоты в теле через поток влаги); K₃₁ = — ED/C_e (С_е-коэф. тепло- или массоемкости влажного газа в пористом теле); К₃₂ = -ED/C_e; К₃₃ = К_ф.п./Сеr_т - EDK_ф.п./C_e.

Рис. 2. Кривые кинетики: а-кривые сушки (т) и нагрева влажного материала (т); б-кривые скорости сушки для материалов тонколистовых пористых (1), коллоидных (2), капиллярно-пористых (3), керамических (4), нек-рых полимерных (5).

Система (8) справедлива при постоянстве  коэф. переноса, т.е. лишь для отдельных зон сушильного аппарата.

Кинетика сушки отражает изменения  во времени средних по объему высушиваемого  материала его влагосодержания и т-ры . Знание кинетики сушки позволяет рассчитать время т_с сушки материала от начального (u_н) до конечного (u_к) влагосо-держаний. На рис. 2, а изображены кривая наз. кривой сушки, и кривая нагрева тела Поскольку при сушке влагосодержакие в каждой точке влажного материала стремится к равновесному u_р, кривая u(т) стремится к горизонтальной асимптоте . Что касается кривой нагрева материала, то т-ра всех его точек чаще всего в начальный момент одинакова и равна q_н; если т-ра среды равна q_с, то именно к этому равновесному значению стремится т-ра . Поэтому

В общем случае кривая сушки состоит  из неск. участков, соответствующих разл. периодам процесса: кривая АВ-периоду прогрева материала, кривая ВС- периоду постоянной скорости (I период продолжительностью т_I), кривая CD-периоду падающей скорости (II период продолжительностью т_II). В период прогрева теплота, подводимая к материалу, расходуется на его нагрев от нач. т-ры q_н до т-ры мокрого термометра q , а также на испарение влаги; в этот период скорость сушки обычно возрастает от куля до постоянной ее скорости N в I период; продолжительность периода прогрева, как правило, незначительна по сравнению с др. периодами.

При q = q_м.т. I период описывается ур-нием (знак минус указывает на уменьшение u) или после дифференцирования:

где -начальное значение u при т = 0 ( -конечное значение в период прогрева; если он мал, то ). Выражению (9) соответствует время сушки в I период;

где u_кр -критич. влагосодержание в конце этого периода. Скорость сушки в данный период определяется скоростью подвода теплоты к материалу:

где a-коэф. теплоотдачи от сушильного агента к материалу; f_уд = F/G_с.м.; F-межфазная пов-сть; G_с.м.-масса сухого материала.

Физически I период заканчивается  при удалении из материала своб. влаги (и = и_кр); во II периоде начинается удаление связанной влаги. Для расчета u_кр используют ряд корреляций, однако на практике его определяют экспериментально.

Скорость сушки во II периоде  часто аппроксимируют ур-нием, учитывающим приближение к и_р:

где К_с-коэффициент сушки, зависящий от ее режима и св-в материала. Этот параметр часто представляют в виде: К_c = xN, где x-относит. коэффициент сушки, определяемый гл. обр. св-вами материала. Ур-нию (12) соответствует выражение для времени сушки материала во II периоде при изменении влагосодержания от u_р до u_к: